超临界水中煤气化制氢热力发电系统的构建以及能量转化机理分析

【摘要】：煤是当今火力发电最重要的燃料，但是煤在空气中直接燃烧生成NOx、SOx、CO2和PM2.5等污染物。超临界水中煤气化制氢技术是一种高效清洁的煤利用新技术，利用超临界水特有的性能，将煤转化为清洁高热值的H2和CO2，N、S等污染物作为固体残留直接排出反应器。本文构建了一种新型超临界水中煤气化制氢热力发电循环系统，采用能量分析和火用分析方法研究新系统的过程能耗，并基于能的品位概念，运用图像火用分析法，进一步探究系统关键过程能量转化机理，以期达到煤的清洁利用以及节能减排的目的。 首先，构建了一种新型超临界水中煤气化制氢热力发电循环系统，该系统使煤在超临界水中气化后的混合工质直接通入透平做功发电，充分利用反应器出口超临界水所携带的能量，并且使气化获得的气体直接发生氧化反应重新加热蒸汽，再次驱动透平做功发电，节省氢气分离提纯时的能耗，且将氢能直接转化为应用更广泛的电能。 其次，对新系统进行能量分析和火用分析，以常规煤直接燃烧推动超临界机组再热循环系统为参照，对比发现新系统具有良好的能量效率和火用效率，指出影响系统能量效率和火用效率的关键过程为气化和燃烧两个化学反应过程。 最后，基于能的品位概念，利用图像火用分析法，通过研究超临界水中煤气化制氢过程中化学能向物理能转化时能量品位的变化关系，揭示过程中火用损失产生的深层原因，阐明新系统火用损失减少和外部热源品位提升的机理。为超临界水中煤气化制氢热力发电循环系统的设计与优化提供理论依据。 【关键词】：超临界水 煤 制氢 火用效率 图像火用分析
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM611
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 主要符号表7-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 能源危机与环境问题10
• 1.1.2 氢能10-12
• 1.1.3 超临界水的性质12-13
• 1.1.4 煤的气化制氢技术13-14
• 1.2 超临界水中煤气化制氢的国内外研究现状与进展14-18
• 1.2.1 超临界水中煤气化制氢的国外研究现状与进展14-16
• 1.2.2 超临界水中煤气化制氢的国内研究现状与进展16-18
• 1.3 本文主要研究内容18-19
• 2 热力学分析方法19-30
• 2.1 热力学性质的计算方法19-24
• 2.1.1 焓19-21
• 2.1.2 熵21-22
• 2.1.3 火用22-24
• 2.2 热力学分析方法24-27
• 2.2.1 能量平衡法24
• 2.2.2 熵分析法24-25
• 2.2.3 火用分析法25
• 2.2.4 热力学分析的比较25
• 2.2.5 典型的系统火用分析法25-27
• 2.3 火用分析的主要内容27-28
• 2.4 火用分析的评定准则28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 超临界水中煤气化制氢热力发电系统的构建及热力学分析30-49
• 3.1 超临界水中煤气化制氢热力发电循环系统的构建30-32
• 3.2 系统工作参数的确定32-34
• 3.3 系统能量分析的数学模型34-36
• 3.3.1 气化反应器34-35
• 3.3.2 汽轮机35
• 3.3.3 预热器35-36
• 3.3.4 加压泵36
• 3.4 系统火用分析的数学模型36-38
• 3.4.1 气化反应器36-37
• 3.4.2 汽轮机37-38
• 3.4.3 预热器38
• 3.4.4 加压泵38
• 3.5 系统火用分析的评定准则38-40
• 3.6 系统热力学计算结果与分析40-47
• 3.6.1 超临界水中煤气化制氢实验数据40-41
• 3.6.2 基本参数计算41-43
• 3.6.3 系统能量分析与火用分析43-44
• 3.6.4 系统各设备火用分析评价44-47
• 3.7 本章小结47-49
• 4 超临界水中煤气化制氢热力发电系统关键过程的能量转化机理分析49-56
• 4.1 化学反应过程中化学能品位的推导49-50
• 4.2 系统化学反应过程能量转化机理分析50-55
• 4.3 本章小结55-56
• 5 结论与展望56-58
• 5.1 结论56-57
• 5.2 展望57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-63

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